SPICE电子仿真（共4篇）
SPICE电子仿真 篇1
电子仿真技术作为科技发展的主要成果之一, 其的应用是以计算机为基础, 在分析系统原理的同时, 建立符合要求的模型。在电子电工教学中, 电子仿真技术的应用不仅能够激发学生的学习积极性, 也能够提高课堂教学质量和效率。同时, 电子仿真技术可以将教学内容更生动的展现在学生面前, 且电子参数的调整也比较容易, 学生不仅能够便捷的操作电子仿真设备, 也能够积极、主动的参与到学习中去。
1 仿真教学的概念和特点
仿真教学, 即模拟教学, 其作为电子电工教学的新方法, 已经逐渐被应用在各个领域的教学中。仿真教学的实质是利用计算机来模拟自然现象和社会现象, 且利用这种教学方法, 学生可以在教学中感受到更加真实的模拟效果。随着多媒体技术的不断创新, 电子仿真技术应用所取得的效果更加显著, 而仿真教学也逐渐取代了传统教学方法, 逐渐成为了科技化教学的主要方式。电子电工这门学科的实用性比较强, 只有利用实验对书中的理论知识进行解释, 学生才能更好地理解。利用电子仿真技术将教学知识以生动的方式向学生展示, 不仅能够激发学生的学习积极性, 也能够提高学生的学习效率。
2 电子电工教学中电子仿真的作用
2.1 在理论教学中的作用
在电子电工教学中, 传统教学方法是理论知识教学较常使用的方法。传统教学方法的实施是以教师的讲解为主, 学生只能被动的记忆所学的知识, 教学课堂严重缺乏互动和交流。利用电子仿真技术进行电子电工教学, 可以将理论知识以生动的画面进行解释和验证, 这不仅能够激发学生的学习兴趣, 也能够增强学生的记忆能力, 对学生掌握和理解所学的知识也有很大帮助。例如:“基本共射放大电路图”作为电子电工教学的主要内容之一, 在对相关知识进行教学的时候, 教师可以利用电子仿真技术进行教学。因为该内容的相关知识都比较抽象, 学习过程会比较枯燥, 且理解难度也较大, 而在课堂教学中, 利用multisim仿真软件对该部分内容涉及的电子线路进行展示, 可以更好地帮助学生记忆电路图中的参数, 也能够提高学生的学习效率, 增强学生的综合能力。
2.2 在实践教学中的作用
在电子电工实践教学中, 实验教学是必不可少的教学环节。在传统实验教学中, 由于实验设备和资金的严重缺乏, 实验教学也受到了很大程度的影响, 不仅实验教学质量无法得到有效地提升, 学生对所学知识的理解能力和掌握能力也受到了很大的限制。为了更好地实施电子电工实践教学, 电子仿真技术在实践教学中的应用逐渐受到了重视。利用电子仿真技术开展电子电工实践教学, 可以对实验过程以动态图像的形式进行模拟, 也能够帮助学生更好地掌握实验操作过程和所学的知识;同时, 不仅实验结果的准确性能够得到保证, 也可以有效避免实验中再次出现漏电等问题。
利用电子仿真技术对电子电工实验进行模拟, 可以将实验过程以更生动的方式向学生进行展示, 以便对学生的认知能力进行提升, 对学生的实际动手能力进行增强, 并在避免出现失误的同时, 提高学生的理解能力, 从而确保电子电工课堂教学的质量和效率能够得到有效的提升。在电子电工实践教学中, 电子仿真技术的应用能够有效地避免课堂教学质量和效率因实验设备和资金的缺乏而被降低, 也能够提高实验数据的准确性, 这对学生更好地理解和记忆所学的知识有很大帮助。
3 电子仿真在电子电工教学中的应用效果
在电子电工教学中, 电子仿真技术与传统教学方式相比有着明显的优势。利用传统教学方式实施电子电工教学, 课堂教学氛围会比较枯燥;而利用电子仿真技术进行教学, 可以使课堂教学氛围变得更加生动, 也能够激发学生的学习兴趣, 这对提高课堂教学质量和效率有极大的帮助。同时, 利用电子仿真技术进行教学, 不仅可以更好地改善课堂教学结构, 也可以提升学生的综合能力。
3.1 提高课堂效率
在电子电工教学中, 电子仿真技术的应用可以激发学生的学生积极性, 也能够提高课堂效率。利用电子仿真技术可以准确划出电子电工所涉及的电子线路图, 这可以避免教师的讲解出现问题。电子电工课程的相关内容是极为抽象的, 比较难以理解。利用电子仿真技术对电子电工相关知识进行生动的展示, 可以加深学生对所学知识的理解, 也能够提高课堂效率。
比如, 电子电工教学中, “焊接技术”对实践性有严格的要求, 单纯依靠教师的讲解, 学生很难理解所学的知识。通过使用电子仿真技术, 可以将焊接技术的相关知识和技术进行分解展示, 这不仅能够帮助学生更好地掌握和理解焊接知识和技术, 也能够提高学生的学习效率。
3.2 改善课堂结构
在电子电工教学中, 电子仿真技术的应用对理论知识和实践技术的教学有着很大的帮助, 可以帮助学生理解和掌握所学的知识和技术, 也能够增强学生的理解能力与动手能力, 而且在激发学生学习积极性的同时, 也能够调动课堂教学氛围, 改善课堂教学结构, 以便在此基础上提高课堂教学质量和教学效率。电子电工课程的相关理论知识都极为抽象, 理解难度比较大, 实践类型课程也比较多, 而利用电子仿真技术, 可以帮助学生建立更适宜的学习模式, 这对提高学生的综合能力有很大帮助。
4 结束语
综上所述, 电子仿真技术作为科学技术发展的新产物, 在电子电工教学中所起到的作用是至关重要的, 可以使课堂教学变得更加高效。在电子电工理论知识教学中, 电子仿真技术的应用是将该学科相关理论知识以生动形象的画面向学生进行展示, 以便加深学生对所学理论知识的理解和掌握。而在电子电工实践教学中, 利用电子仿真技术对实验过程及结果进行展示, 可以使学生更加主动的参与到实践教学中去, 也能够激发学生的学习兴趣。电子仿真技术作为教学领域的新型教学方式, 对电子电工课堂教学有着极大的影响。
参考文献
[1]马世强.电子仿真在电子电工教学中的应用[J].文理导航.2014 (08) .
[2]张成.浅谈终止电子电工教学的仿真应用[J].中国科教创新导刊.2013 (10) .
[3]李贞.高职电子电工教学中对案例教学模式的有效运用[J].成功 (教育) .2013 (04) .
电力电子仿真教学研究 篇2
关键词：multisim,仿真,电力电子电路
1概述
电力电子技术是强电专业的一门核心基础课程,其实践性很强,对学生的动手能力要求较高。笔者在该课程的教学过程中发现主要存在以下几个问题:
1)学生很难理解电力电子器件的工作原理,比如晶闸管的导通和关断条件。
2)在授课过程中电力电子波形的绘制需要花费较长的时间,尤其是三相电路的相关波形。
3)在实训过程中耗材的损耗很大,比如晶闸管、晶体管等。
4)电力电子系统多为高电压、大电流的大功率系统,实训过程中对于学生的人身安全和设备安全不能得到绝对保证。
如果在教学过程中引入计算机仿真技术就可以很好的解决这些问题,同时仿真教学可以使得教学过程更为生动、直观, 有利于激发学生的学习兴趣,提高教学质量。
2 multisim仿真软件介绍
20世纪80年代加拿大的IIT公司推出了一款颇具特色的电子仿真软件EWB5.0,其界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用。Multisim软件是它的升级版,本文中所使用的是最新的multisim10版本,其主要特点有:
1)具有完全交互式的仿真器,允许使用者对电路进行实时的改变,并能实时的看见电路仿真结果。
2)具有二十多种不同的虚拟仪器,包括示波器、万用表、频谱分析器等。
3)功能强大的教学选项,老师可以自行制定Multisim 10的使用界面和可能选用的仪器和分析,从而控制学生在电路中所见的画面,以及能够存取的功能。
4)16000个零件数据库,16000个零件资料库。
图1为multisim10的主界面。
3仿真实例
1)单相半波可控整流电路(阻性负载)
启动multisim10软件,从其元件库中选择所需的电路元件, 连接成电路。如图2所示。其中双踪示波器用来显示触脉冲和负载上的电压波形,A相位为负载波形,B相位为触发波形。
启动电路开始仿真,波形如图3所示,显然负载上的波形为缺口的正弦半波波形。
2)三相半波可控整流电路(阻感性负载)
如图4所示为三相半波整流电路,负载为阻感性负载。图5为阻感性负载上的电压波形。
4结束语
利用multisim实现仿真实验教学,同传统的电力电子实验相比,可以边实验边修改,由于使用的元器件和仪表都是虚拟的,所以不存在安全问题,另外实验成本低,实验效率高,实验结果直观形象。学生在仿真实验过程中,有自己独立思考的时间和空间,有利于培养学生的创新思维能力。但是仿真实验并不能完全取代传统的实验手段,因为学生在仿真实验中看到的都是理想波形,而实际上会存在很多的干扰信号,学生只有在真实的硬件试验中才会掌握。只有将仿真实验与硬件实验相结合,才能帮助学生更快更好地掌握知识,进一步提高学生的综合实验和创新的能力。
参考文献
[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].4版.北京:机械工业出版社,2000.
[2]王云亮.电力电子技术[M].北京:电子工业出版社,2006.
SPICE电子仿真 篇3
1 电子仿真技术在理论教学中的应用
随着电子技术的飞速发展, 电工教学中的理论教学是必不可少的。但是, 电工教学注重的是学生实践能力的培养, 为此, 理论知识的学习都是在为实践的开展提供基础和前提条件。并且理论教学的目的也是为实践教学的开展提供依据, 也为学生未来在工作岗位中工作提供了理论基础。但是, 如今很多中职教育中, 教师一旦讲述理论知识, 学生就会感到枯燥, 因为学生普遍存在基础知识差的现状, 面对复杂的电工理论会更难以理解。对于教师来说也产生了非常大的困扰。
随着计算机技术的飞速发展, 仿真虚拟技术逐渐出现在人们面前。将仿真软件技术配置到实验课堂中, 在讲述理论知识的过程中, 能够借助计算机做出多媒体演示, 演示的内容可以有很多方面, 比如, 复杂线路的操作流程、注意事项等都可以直观的呈现在多媒体屏幕上, 也可以运用多媒体展示电路的搭建过程、参数的设置等多方面内容。虚拟实验能够将实验结果直接呈现在显示屏幕上, 使理论化的知识变得更加生动、直观和具体, 降低了理论知识的抽象性。
比如, 在电路放大中, 静态工作点的选择要体现出合理效果, 能够充分体现出放大器基本性能。如果设置的不合理就会出现程序上的失误和失真, 理论课程的设置也可以运用仿真技术构建出来。因为在理论课堂上, 学生往往会对一些公式或者是图像了解不够深入, 并对教师的讲解吸收较少, 为此, 导致了学生对基本的放大电路知识掌握的不够明确。但是应用仿真软件可以做出EWB演示, 给予学生一种非常直观的感觉。学习效果也能得到提高。
2 电子仿真技术在实践教学中的应用
通过上面的论述可以知道, 电子仿真技术能够以实验的方式引入到理论课堂中, 使学生能够以实验的方式展开对理论知识的学习。而电子仿真技术最为重要的作用是能够开展教学实验, 而电子电工教学最重要的也是实践能力的培养, 为此, 该技术的重要性得以体现。此外, 传统方式的实验课程危险性较大, 学生鉴于理论知识的认知不足并缺少安全开展实验方面的知识, 为此, 教师在组织学生做实验过程中, 会有所担忧, 如果学生较多, 将更容易突发安全事故;还有一方面, 鉴于教学经费的限制, 很多中职院校中都缺少实验工具或者实验场地, 为了节省经费, 学校则会终止很多实验。
而应用虚拟仿真技术可以避免上述问题的出现。只要中职院校中具备计算机, 就可以在计算机房模拟各项实验, 大大减少了安全问题的发生。这种虚拟形式的教学实验, 可以使每一位学生都能加入到实验操作中来, 对各种电路进行设计和仿真处理, 发挥自己的创新思维对电路进行合理构建。提高了学生的动手操作能力, 锻炼了思维, 使教学效果得以大幅度改善。
比如, 在数字化的电路实践课程中, 学生可以应用仿真软件转换器开展实验, 该转换器能够实现逻辑电表与阈值表之间的转换, 还可以实现逻辑表达方式的转换。学生可以借助这一功能对逻辑电路进行设计。此外, 在实训项目的开展过程中, 可以应用仿真技术, 对电路进行设计, 可以有效降低电路元件的损耗, 不同的电路元件都可以实现相互的转换和利用, 使实验成本得以降低。再比如, 在做滤波实验中, 应用仿真技术开展实验过程为:在仪表中调节好示波器, 仪表中的A通道为数值的输入端口, B通道为数值的输出端口, 再将仪器接入到仿真电源中, 在示波器中可以看到整流后的效果, 也可以改变电路中的电容参数以及波形。通过仿真仪器设备的使用可以使仿真实验的开展更有效果, 让学生能够对实验有深刻了解, 比如, 实验操作步骤、实验结果以及实验注意事项等, 在对具体的实物进行操作时, 可以大大提高实验效率。
虽然仿真实验有非常多的优点, 但是在实践中不能完全借助仿真技术, 可以在实物实验基础上融入适当的仿真技术实验, 使仿真技术的功能得以充分发挥。
3 结语
仿真技术在电工教学中应用的较为广泛, 可以大大提高教学效果和学习效果。首先, 通过应用仿真教学能够使学生的学习兴趣得以激发, 学生能够更容易理解教学中的难点。仿真技术在课堂中被广泛应用以后, 对实验实施了动态演示, 将复杂的内容变得简单, 提高了学生的自主学习能力。其次, 仿真教学的开展, 可以提高资源的利用率, 弥补了中职院校中设备不足的现状, 可以通过模拟形式开展一些安全性低、不易操作的实验。但是, 高校和学生要正确认知该技术, 并要将其作为一种辅助教学手段, 不能对其产生多度依赖, 最重要的还是要提高学生的实际动手操作能力。
参考文献
[1]钟建明.试论电子仿真技术在高级维修电工技能鉴定中的应用[J].都市家教 (下半月) , 2010 (6) .
[2]廉亚囡.Proteus仿真技术在《电工电子技术》任务教学中的运用[J].计算机光盘软件与应用, 2014 (3) .
[3]刘辉, 王新辉, 谢明华等.电工、电子与信息类专业高教自考实践环节考核的探索[J].长沙大学学报, 2010, 24 (2) .
[4]李小兰.Multisim仿真技术在"电工电子技术"教学中的应用[J].中国轻工教育, 2010 (2) .
电力电子器件的实时仿真 篇4
电力电子器件是电力电子装置的基础, 其性能制约着电力系统中电力电子装置的性能。当前, 电力电子装置的实时仿真研究已经展开[1,2], 但这些实时仿真将电力电子器件视为理想开关, 这种简化固然不影响系统级的仿真精度, 但并不能预测电力电子器件的工作特性。而电力电子器件的电压尖峰、电流尖峰、开关损耗等工作特性非常突出, 这些问题恰恰是威胁电力电子器件乃至电力系统可靠性的重要因素。绝缘栅双极型晶体管 (insulated gate bipolar transistor, IGBT) 具有驱动功率小、开关速度快、导通电流大、功率损耗小等优点, 是目前技术成熟、应用广泛的电力电子器件。本文以IGBT构成电力电子电路的基本开关单元为例, 进行电力电子器件的实时仿真研究。
电力电子器件的模型有物理模型[3,4]和功能模型[5,6,7]2种。物理模型在物理本质上揭示载流子的运动规律, 模型精度较高, 但大多数生产商并不提供器件的物理参数, 且仿真速度慢, 不适用于实时仿真。功能模型将器件内部视为一个“黑匣子”, 按照仿真功能的需要从元件的外部电特性出发构造模型, 虽然精度不如物理模型高, 但参数易提取, 仿真速度快, 适合用于实时仿真。
目前, 国内外学者采用不同的方法对电力电子器件开展了功能模型研究。文献[5]采用线性化的方法, 但没有考虑器件开关过程中的电压尖峰和电流尖峰。文献[6]采用分段解析函数的方法, 但将续流二极管的反向恢复电流峰值视为恒定值。文献[7]采用实测数据的方法, 但对于不同型号的器件, 需要搭建不同的实验电路。本文根据IGBT和电力二极管的开关特性和换流过程, 建立IGBT和电力二极管的换流模型, 从器件数据手册获取参数, 采用分段插值的方法, 建立IGBT的实时仿真功能模型, 参数易于获取, 并且能够在很大的电压和电流范围内对电力电子器件开关过程中的关键指标进行仿真。
1 电力电子器件功能模型原理
文献[8]提出用替代定理来说明功能模型, 用电压源或电流源替代电力电子器件, 并提出了电压源和电流源的选取原则和确定方法:选取的电压源和电流源必须独立, 且选为电压源时需保证连续, 选为电流源时需保证导数连续。本文在建立电力电子器件的功能模型时也借鉴了这一思想, 并对文献[8]所建模型进行了改进, 去掉了IGBT杂散并联电容, 使模型更加便于仿真计算。
本文以IGBT构成电力电子电路的基本开关单元为研究对象, 建立IGBT和电力二极管的功能模型。基本开关单元如图1 (a) 所示, 包括一个IGBT、电力二极管、电压源和电流源, 其中, 电压源和电流源为电压源型电路和电流源型电路的替代, 图中:S为IGBT的驱动信号。在换流瞬间认为U和I保持不变, 在开关过程中IGBT的电流波形相对简单, 因此选为电流源;根据选取的电压源和电流源必须独立的原则, 电力二极管选为电压源;IGBT和电力二极管分别用受S控制的电流源和电压源替代;同时, 考虑了线路的杂散电感LS1, LS2, 等效电路如图1 (b) 所示。
列写基尔霍夫电压和电流方程, 有
式中:iC为IGBT的集电极电流;uR为二极管的反向电压;iF为二极管的正向电流;uCE为IGBT的集射极电压。
由式 (2) 解得, 二极管电流iF=I-iC, 代入式 (1) , 有
令LS=LS1+LS2, 则
等效电路进一步简化为图1 (c) , 解得IGBT栅射极间电压为:
可见, 只要给出受控的电流iC和电压uR, 便可以求得iF和uCE。
下面分别从IGBT开通和关断2个过程, 采用分段插值的方法建立基本开关单元的器件模型。其基本思想是:假设已知开关过程的电压、电流波形上的一些关键点, 如起始点、极值点、拐点、不可导点, 然后用简单解析函数分段描述开关电压电流波形。
2 基本开关单元功能模型
基本开关单元的开关过程分为IGBT的开通过程和关断过程, 其功能模型从IGBT的开通和关断2个过程分别建立。
2.1 IGBT开通过程模型
图2为IGBT的开通过程模型。在t=t0 (on) 时刻驱动IGBT开通。IGBT的开通过程也是电力二极管的关断过程, 由于电力二极管反向恢复过程的存在, IGBT的集电极电流iC在开通过程中会出现电流尖峰。IGBT的开通过程主要分为4个阶段:开通延迟阶段[t0 (on) , t1 (on) ]、电流上升阶段[t1 (on) , t2 (on) ]、反向恢复阶段1[t2 (on) , t3 (on) ]和反向恢复阶段2[t3 (on) , t5 (on) ]。
由图2可以得到部分阶段时刻的表达式为:
式中:trr为二极管反向恢复时间;kD为常数, 且0
下面对各阶段IGBT的集电极电流iC和电力二极管的反向电压uR进行插值。
1) 开通延迟阶段:IGBT仍处于关断状态, 电力二极管仍处于导通状态, 漏电流和通态压降数值较小, 予以忽略, 视为0, 即iC=0, uR=0。
2) 电流上升阶段:IGBT的集电极电流iC从0上升至其幅值I, 电力二极管的正向电流iF相应减小但仍然处于导通状态, uR=0。
根据电流导数连续的原则, IGBT的集电极电流iC用经过点1 (t1 (on) , 0) , 点2 (t0 (on) +td (on) , 0.1I) , 点3 (t0 (on) +td (on) +tr, 0.9I) 和点4 (t2 (on) , I) 并且在点1处的导数为0的二次函数进行插值, 得到:
式中:a1 (on) 为系数。
结合器件数据手册中IGBT开通延迟时间td (on) (从驱动电压uGE的前沿上升至其幅值的10%到集电极电流iC上升至其幅值的10%的时间) 和电流上升时间tr (iC从其幅值的10%上升至90%的时间) , 在建立基本开关单元的器件模型时, 认为驱动信号S电平变化的时间为0, 可以推导出系数a1 (on) 和阶段时刻t1 (on) 和t2 (on) , 即
代入式 (7) 有:
3) 反向恢复阶段1:IGBT电流由于电力二极管的反向恢复过程继续上升, 由其幅值I升至其峰值I+IRM, 但上升速率变慢, 电力二极管反向电压uR从0上升至其幅值U。IGBT电流用经过点4 (t2 (on) , I) 和点5 (t3 (on) , I+IRM) , 并在点5导数为0的二次函数进行插值, 得到:
为简化计算, 假定电力二极管反向恢复电流峰值IRM与正向电流I呈比例关系, 即, 则由电力二极管在额定电流IFN下的反向恢复电流峰值IRMN, 可以得出。
IGBT电流可以进一步表示为:
电力二极管反向电压uR用经过点8 (t2 (on) , 0) 和点9 (t3 (on) , U) 的一次函数进行插值, 得到:
即
4) 反向恢复阶段2:IGBT集电极电流iC随电力二极管反向恢复电流的下降而由其峰值I+IRM下降至其幅值I, 由于线路杂散电感的存在, 电感两端将感应出反向压降, 并与电压源U一起作用于电力二极管上, 在二极管两端产生电压尖峰。遵循电流连续的原则, IGBT电流分两段, 即[t3 (on) , t4 (on) ]和[t4 (on) , t5 (on) ], 用经过点5 (t3 (on) , I+IRM) , 点6 (t4 (on) , I+IRM/2) 和点7 (t5 (on) , I) 并且在点5和点7导数为0的二次函数进行插值。其中t4 (on) =t3 (on) + (1-kD) trr/2。
在[t3 (on) , t4 (on) ]上的插值函数为:
在[t4 (on) , t5 (on) ]上的插值函数为:
二极管反向电压uR=U-LSdiC/dt, 则在[t3 (on) , t4 (on) ]上, 有
在[t4 (on) , t5 (on) ]上, 有
t5 (on) 之后, IGBT处于开通状态, 二极管处于关断状态, iC=I, uR=U。
2.2 IGBT关断过程模型
图3为IGBT关断过程模型。在t=t0 (off) 时刻驱动IGBT开通。IGBT的关断过程也是电力二极管的开通过程, 这个过程主要分为3个阶段:关断延迟阶段[0, t1 (off) ]、电压上升阶段[t1 (off) , t2 (off) ]和电流下降阶段[t2 (off) , t4 (off) ]。
由图3可以得出部分阶段时刻的表达式为:
式中:kud为常数, 且0
1) 关断延迟阶段:IGBT仍处于开通状态, 电力二极管仍处于关断状态, iC=I, uR=U。
2) 电压上升阶段:IGBT电压从0增大到其幅值U, 电力二极管反向电压相应减小并仍然关断, IGBT电流保持其幅值I不变, 即iC=I。
电力二极管反向电压用经过点3 (t1 (off) , U) 和点4 (t2 (off) , 0) 的一次函数进行插值, 得到:
3) 电流下降阶段:IGBT集电极电流iC从其幅值I下降至0, 电力二极管电流iF相应上升, 遵循电流导数连续的原则, IGBT电流分两段用二次函数进行插值。
在[t3 (off) , t4 (off) ] (t4 (off) =t3 (off) +1.5tf, 其中tf为电流下降时间, 集电极电流iC从其幅值的90%下降至10%所需时间) 上, 类比于开通过程IGBT电流上升阶段, 有
在[t2 (off) , t3 (off) ]上, 用经过点1 (t2 (off) , I) , 点2 (t3 (off) , 0.9I) 并在点1导数为0, 在点2导数与在[t3 (off) , t4 (off) ]上相等的二次函数进行插值, 得到:
忽略电力二极管正向恢复过程, 则电力二极管反向电压, uR=0。t4 (off) 之后, IGBT处于关断状态, 电力二极管处于开通状态, iC=0, uR=0。
综上所述, IGBT集电极电流iC和电力二极管反向电压uR的模型为:
式中:fi (on) (t) , fi (off) (t) , fu (on) (t) , fu (off) (t) , gi (on) (t) , gi (off) (t) 的具体取值见附录A。
可以看出, 该模型为工作电压U、工作电流I和时间t的函数, 只要给定U, I和驱动信号S发生电平跳变的时刻, 便可以确定IGBT的集电极电流iC和电力二极管的反向电压uR, 进而得出IGBT集射极间电压uCE和电力二极管的正向电流iF。iC用二次函数进行插值, uR用一次函数进行插值, 具有较快的计算速度, 可以满足实时仿真的要求。
3 仿真结果
在现场可编程门阵列 (field programmable gate array, FPGA) 中对模型进行了实时仿真, IGBT和电力二极管的型号为三菱公司的IGBT模块CM1200DC-34N, 杂散参数LS=100nH, 工作点U=850V, I=600 A, IGBT和电力二极管开关过程的仿真结果见附录A图A1。
IGBT模块的开关电压、电流得到以后, 可以通过积分运算获得开关损耗能量, 即
同样, 对850V电压下, IGBT的开通损耗Eon、关断损耗Eoff和电力二极管的反向恢复损耗Erec随电流的变化进行了仿真, 将仿真结果与数据手册所给的典型值[9]绘在一起, 如图4所示。
开关损耗仿真结果均能落在典型值附近。仿真结果表明, 本文IGBT和电力二极管的实时仿真能够反映电力电子器件开关过程中的电压、电流尖峰和开关损耗等关键指标。
4 结语
IGBT和电力二极管的实时仿真方法可以推广至其他电力电子器件, 如电力晶体管 (GTR) 、电力场效应晶体管 (MOSFET) 、集成门极换流晶闸管 (IGCT) 等。电力电子电路的基本开关单元通过组合可以构成电力系统中各种斩波电路和逆变电路[10]。因此, 本文IGBT和电力二极管的实时仿真方法能够实现电力系统各种斩波电路和逆变电路中电力电子器件的实时仿真。
附录见本刊网络版 (http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx) 。
摘要：电力电子器件在开关过程中的电压尖峰、电流尖峰以及功率损耗等问题是威胁电力电子器件乃至电力系统中电力电子装置可靠性的重要因素。文中以技术成熟、应用广泛的绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 构成电力电子电路的基本开关单元为例, 进行电力电子器件的实时仿真研究。根据电力电子器件的开关特性, 分析了电力电子器件间的换流过程, 建立电力电子器件的实时仿真功能模型, 并在现场可编程门阵列 (FPGA) 中实现电力电子器件的实时仿真。仿真结果能够反映电力电子器件开关过程中电压尖峰、电流尖峰以及功率损耗等关键指标。
关键词：电力电子器件,实时仿真,电压尖峰,电流尖峰,开关损耗
参考文献
[1]LUCA O, URRIZA I, BARRAGN L A, et al.Real-time FPGA-based hardware-in-the-loop simulation test bench applied to multiple-output power converters[J].IEEE Trans on Industry Applications, 2011, 47 (2) :853-860.
[2]杨达亮, 卢子广, 杭乃善.电力电子系统实时仿真综合平台及设计方法[J].电力自动化设备, 2011, 31 (10) :139-143.YANG Daliang, LU Ziguang, HANG Naishan.Design of integrated real-time simulation platform for power electronic system[J].Electric Power Automation Equipment, 2011, 31 (10) :139-143.
[3]LU Liqing, BRYANT A, HUDGINS J L, et al.Physics-based model of planar-gate IGBT including MOS side two-dimensional effects[J].IEEE Trans on Industry Applications, 2010, 46 (6) :2556-2567.
[4]杜明星, 魏克新.一种考虑IGBT基区载流子注入条件的物理模型[J].物理学报, 2011, 60 (10) :722-727.DU Mingxing, WEI Kexin.A physics-based model of insulated gate bipolar transistor with all free-carrier in-jection conditions in base region[J].Acta Physica Sinica, 2011, 60 (10) :722-727.
[5]PARMA G G, DINAVAHI V.Real-time digital hardware simulation of power electronics and drives[J].IEEE Trans on Power Delivery, 2007, 22 (2) :1235-1246.
[6]陈雨林, 许军, 马晓军, 等.绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 的实时仿真研究[J].电气开关, 2010 (5) :21-24.CHEN Yulin, XU Jun, MA Xiaojun, et al.Study on real-time simulation of the insulated-gate bipolar tran-sistor (IGBT) [J].Electric Switchgear, 2010 (5) :21-24.
[7]MYAING A, DINAVAHI V.FPGA-based real-time emulation of power electronic systems with detailed representation of device characteristics[J].IEEE Trans on Industrial Electronics, 2011, 58 (1) :358-368.
[8]范子超.链式静止同步补偿器的混合数字仿真研究[D].北京:清华大学, 2007.
[9]Mitsubishi Electric.Cm1200dc-34ndatesheet[R].2005.